尾水管压力脉动与简单设计

尾水管压力脉动概述与常规设计1 前言目前，大型水轮机的稳定性已经成为日益关注的话题。

水轮机运行的稳定性，一直是困扰水电厂电力生产的难点，直接影响到水电厂能否稳定乃至安全生产，关系到国民经济的发展。

随着水轮机单机容量的提高，机组尺寸的增加，相对刚度的减弱，有些电站机组出现不同程度的振动，如国外的大古力、塔贝拉和古里电站，国内的岩滩和五强溪等电站，导致转轮叶片裂纹，尾水管壁撕裂，有的甚至引起厂房或相邻水工建筑物发生共振，危及电站安全运行，稳定性问题日益突出。

大量的文献研究表明，水力发电机组，特别是混流式或轴流式水轮机组的振动不稳定问题主要是由于尾水管压力脉动造成的。

而尾水压力脉动，除造成机组振动等危害外，还是机组出力摆动的主要根源，削弱了系统阻尼，严重时可能引发水力发电机组产生低频振荡，造成大面积停电等严重事故。

水轮机稳定性包括水力稳定性和非水力稳定性，非水力稳定性主要考虑：机械原因和电磁原因；水力稳定性从四个方面考虑：尾水管涡带、压力脉动、卡门涡和叶片出口边的脱硫，其中机组振动最主要的原因之一是由于尾水管涡带。

一般来讲，尾水管压力脉动主要是由部分负荷时尾水管涡带引起的压力脉动。

当导叶开度为0.4至0.7时或者最优流量在在0.3至0.8的范围内，此时涡带会经常出现。

而当导叶开度为0.5至0.6时，处在低负荷载载区，此时产生的压力脉动最为严重。

强烈的旋转压力脉动是当机组实际运行负荷为机组满负荷的1/3至1/5时，由涡带的旋转导致产生。

当机组部分负荷时，除了尾水管有旋转压力脉动外，有时还可以观察到同步压力波动，如果此时的尾水管涡带的扰动频率与水路系统的特征频率相符合，那么就会引起严重的压力峰值群，这将强烈导致机组振动，转轮叶片呈现裂纹，大轴松动，有时还可触发压力钢管破裂。

目前国内外，尾水管压力脉动，在混流式水轮机或轴流定浆式水轮机两种水轮机中存在普遍的现象，并且大多对机组的稳定性构成了不可评估的危害。

尾水管涡带主要指定桨式水轮机在部分负荷和超负荷的工况下尾水管中出现的一种极不稳定的水流，它所产生的压力脉动是造成这类机组振动和出力摆动的最主要的原因。

由于尾水管直接安装在水轮机的下部分，特别是混流式水轮机转轮出口的水流总是存在多余旋转分量，所以尾水管的进口具有一定的环量，且是三维紊流，甚至有时是气液两相流流动。

尾水管靠其复杂的几何形状和不稳定的水流流动因素，使当今的学者至今无法对其进行较为精确的数学描述，对尾水管涡带的发生、发展及作用机理还有探索的空间。

对混流式水轮机尾水管内部水流流动的探索比较复杂，当机组在部分负荷工况情况下，此时内部会产生死水域或者偏心涡带的影响，严重干扰机组的正常运行。

更为严重的是当偏心涡带的转动频率接近机组的某一个固有频率时，将引起强烈共振。

由涡带引起的压力脉动造成的危害很严重，有时会强烈干预机组的正常运行，并大大减少机组的维修周期及使用寿命。

从振源上分析探索，绝大多数问题主要发生在：转轮和主轴系统上。

加剧振动的主要原因来自水压脉动和旋转体的不平衡。

实际上水轮机在运行工作中，水流所引起的压力脉动大多数能在尾水管内体现来，且水力机组振动的主要原因就是水流。

所以，研究尾水管内部流态，必须深刻领悟与掌握尾水管压力脉动的形成原理，优化尾水管设计，从而对提高尾水管性能，达到对水轮机高效、长期和稳定运行具有深远意义。

流体机械的研究表明，过流表面平顺且光滑，不仅可大大减小流体运动中的存在的阻力，并且大大提高流场数值模拟的精度和性能预估的准确性，并使实际流体的运动状态更为真实逼真。

尾水管作为组成水轮机主要过流部件之一，尤其在高比转数的水轮机应用中，其性能的好坏直接影响机组的总效率和运行稳定性。

但是由于尾水管弯肘部分几何形状的复杂性，所以在对尾水管进行设计造型的过程中，最为关键的技术就是肘管段的准确造型。

而常用的设计方法过程复杂，且不能准确地形成三维形状研究表明，图形的计算机表示是对流体机械尤其是过流表面的三维造型核心问题所在，也就是即要解决适合计算机处理，又能有效地满足符合设计的几何要求和形状表示，从而便于形状信息的传递和模型数据的交换。

尾水管的几何形状的设计是否得当直接影响到水轮机发电机组的产生的效率和运行的稳定性。

对于具体电站的机组安装，由于要考虑当地的地形、地质结构条件等方面的因素，以及厂房的结构和尺寸的设计均制约尾水管的开挖深度。

现在，窄高型尾水管被越来越多的大中型水电站采用，其高度和宽度尺寸对电站的投资不言而喻，且影响越来越大。

只有掌握了尾水管的高度和宽度对水轮机水力性能的影响，才能更好的在对电站的投资和收效进行综合性经济分析的基础上，确定电站尾水管的最佳尺寸。

二、国内外尾水管涡带的研究现状水轮机尾水管涡带研究指的是考虑影响涡带的各种水力因素，其包括水头、开度、空化系数等，探索涡带的发生的机理。

并通过分析涡带的频率和引起的压力脉动的幅值等参数特性，从而如何控制尾水管涡带的破坏程度。

依据当前技术条件局限性，水轮机尾水管涡带的研究的水力机械界常用的三种方法：理论研究，试验分析和数值模拟(CFD)（湍流模型、非定常计算、方程离散和差分格式、边界条件）真机试验。

计算机技术处理系统自迅速发展以来，理论研究和实验研究的应用进展不大，但是CFD在水力机械技术上的应用研究发展很快、也很成熟。

CFD在独立数值试验越来越显示出强大的功能和特有的优越性，数值模拟作为主要研究手段之一逐渐占据水力机械行业的重要地位。

理论研究主要是靠的是数学的方法直接求解所研究探索的问题。

理论研究方法主要是揭露物质运动的内在规律使其清晰、普遍的显示出来。

水轮机内部流动极为复杂，特别是针对尾水管中的三维紊流流动，大小涡流再加上空化的影响，还有二次流，有时候甚至是汽液两相流的交叉影响。

针对如此复杂的尾水管流态至今理论界还不能用精确的数学方程来表达其含义，推导出较为准确的解。

机组运行工况的变化主要来自尾水管涡带的形式和对机组的影响，除此之外尾水管中的流动还受到以下方面的因素：流道扩散、收缩和转弯。

并且每种尾水管几何形状还不同，这些重要因素在研究尾水涡带工程都是应用中都是相当重要的。

当前靠运用数学上的涡运动理论研究三维湍流的尾水管涡带是常用的手段，但是，这种方法研究三维湍流的尾水管涡带的得出的规律是不规则的，主要是因为尾水涡带的形状和运动用数学公式是很难以加以描述。

尾水管内涡带及压力脉动的研究很难靠定量的分析推导出实际运行的机组工况。

总而言之，在理论研究中由于不能充分地顾虑到各个因素之间及其相互关联的作用，所以研究带有很强的局限性。

目前针对尾水管涡带的理论研究基本没有取得很大的突破。

因为回流的数学推导和涡带频率的计算公式属于半理论半经验公式其中存在许多不稳定因素，故在分析问题虽有一定的参考，但是不能毫无怀疑的用于任何情况。

试验研究分析是对实际问题进行探索求解，对得出的数据进行整理分析并概括出结论，再和相类似的问题进行比较。

这样能够全面综合考虑影响尾水管涡带的各种情况，并多次试验得出的试验数据总和再得出平均值也比较真实可靠，这种研究方法在理论分析的补充证明和数值模拟的一些经验数据必不可少。

但是整个实验研究周期长、投资费用高，并且试验的手段、数据的正确度和可靠性很容易受测试设备和外界客观环境的制约和影响。

所以试验研究远远不能满足当今水电事业快速发展的需要，势必找出另外一种简单、可靠有效的方法。

数值模拟技术即计算流体动力学(Computational fluid dynamics)，简称CFD，是一种具有投资小、周期短、精度高等特点的有效研究流体流动的方法。

它是伴随着计算机的发展而逐渐成长起来研究手段，能够解决许多存在于理论分析和试验研究复杂流动问题。

作为一种崭新的而又先进的前沿研究工具，CFD技术正逐步成为水轮机设计的主要手段，无论在新的水轮机设计还是在旧的水轮机增容改造及稳定性分析中都发挥巨大的潜力空间。

随着计算机技术不断发展，计算流体力学CFD已成为当前国际上最活跃、最广泛的研究领域之一，并朝着实用化、产品化的方向发展。

就流体机械CFD的现状而看，主要存在以下手段：雷诺时均法(RNS)、大涡模拟(LES)和直接模拟(DNS)。

相比较第一种RNS是比较成熟的方法，应用已经很广泛，但由于其时间的平均效应的影响而忽略了许多重要的细节；第二种DNS就是对N-S方程不加任何假设简化直接离散求解得出的数据，科研工作者试图把这种方法应用在实践，尽管现在的计算机运算速度近年来有飞速提升，但由于运算量的巨大使科学工作者望而却步；第三种LES就是为了解决前两种精度不够和计算能力相对不足提出来的一种新颖的计算方法。

尽管雷诺平均法精度不算很高，但由于其技术比较成熟实用，在很大程度上能满足工程需要，所以这个方法仍然占据主流地位。

LES的计算速度很快，且一般的研究人员也能在计算机上进，但其计算的可靠性与正确性还有待于科学工作者进一步核实，所以其仍然是科学界目前的热点课题，并有可能成为数值模拟方法中的主导方案。

直接模拟在目前的水平还只能在大型或巨型计算机上做一些实验性的工作，如果要把这种高精度方法应用于工程还有待于加速计算机的大力发展。

综合以上可以得出：比较理论、试验和数值各种研究方法，尾水管内部的高度紊流特征，理论研究有一定难度，而试验分析需要不菲的费用且周期耗时很长，很不适应目前低碳经济社会快节奏的特征，但其作为数值模拟基础和理论证明的有效手段是不可缺少的。

数值计算的快速、有效和经济这三点很适应现代数字工业的需要，所以表现出强劲的势头且在流体科学界占据着统治地位。

本文拟采用数值的模拟方法对尾水管涡带进行详细研究。

三、尾水管内部流动研究现状及发展1 尾水管内部流动数值模拟尾水管的现代研究方法基于对尾水管内的流速场分析，尾水管数值模拟发展和计算机技术的发展一样，国外起点技术都优于国内。

随着计算机应用的推广，在大中型水电站和压力引水系统比较复杂的电站设计中越来越多地采用电子计算机进行水力过渡过程计算仿真。

MATLAB是集数值计算、符号运算及图形处理等强大功能于一体的科学计算语言，作为一种大型数学软件，它包含了丰富的函数资源，使人们解决各种学科的数学问题的编程简易可行。

综合国内外各种工况，湍流模型的选用，标准k-ε模型最多，其次是一些改进的k-ε模型或雷诺应力(RSM)，还有少量的大涡模型(LES)；CFD 软件—FLUENT 选用的最多，其次是CFX软件。

主要针对结构和非结构化网格划分、网格数量、其大多数单独对尾水管进行计算，由于受计算条件的制约，整机计算的有但很少，计算方法多采用经典的雷诺平均法，大涡模拟只有少量尝试。

2尾水管内部流动的特征尾水管是机组对能量回收的有效设备，对水轮机机组的整体能量特性和稳定运行具有不可忽视的影响。